原子物理学：第2章 第4节 夫兰克-赫兹实验

1、2.4、夫兰克-赫兹实验1913年，玻尔提出了一个氢原子模型，这已被氢原子光谱和其它原子光谱的实验规律所证实。此外，还可以用其它方法来证实玻尔理论。1914年，德国物理学家夫兰克和赫兹采取慢电子（几个到几十个电子伏特）与单元素气体原子碰撞的方法，观察测量到了汞的激发电位和电离电位，这就是著名的F-H实验。通过实验观测，直接证明了原子发生跃迁时吸收和发射的能量是分立的、不连续的；证明了原子能级的存在，证明了玻尔第一假设的正确性；为玻尔的原子结构理论的假说提供了有力的实验证据；为此他们分享了1925年的诺贝尔物理学奖。他们的实验方法至今仍是探索原子结构的重要手段之一。研究原子结构的主要途径有两个，

2、一是利用光谱推测原子结构；二是利用碰撞研究原子的结构。 实验装置一、设计思想原子能量不连续 原子吸收的能量不连续 电子失去的能量不连续 电子能量的变化不连续 二、激发电势（1914）灯丝栅极板极 真空管冲入被研究气体Hg 电极K发射电子 KG加速电子， GA加一个反电压实验结果实验时，调节电位器，UKG 变Ee 变IA变。记录如下右图。请注意：电流突然下降时的电压相差都是4.9V，即KG间的电压为4.9V的整数倍时，电流突然下降。第一个峰值与0仅相差4.1V是由于接触电势的缘故。下面的讨论我们将忽略接触电势。 灯丝栅极板极Hg原子只吸收4.9eV的能量，这就证实了原子中量子态的存在。4.9eV

3、是不是Hg原子的第一激发态与基态之间的能级差呢？实际上在Hg原子光谱中，确实有一条波长为253.7nm的谱线，在实验误差范围内两者重合。激发态是不稳定的，它将发出光子，释放能量，回到基态。发出的光波的波长为:所以Hg原子的第一激发态与基态能量之差为4.9eV，也就是说Hg原子的第一激发电势为4.9V。 较高的激发电势（1920）灯丝板极为什么更高的激发态未能得到激发？容器中的Hg原子密度较高，电子与原子的碰撞较频繁，因此当电子的能量积累到4.9eV时，就与原子碰撞，损失能量。不可能使电子的能量积累很多而将Hg原子激发到更高的激发态上去。1920年，夫兰克将原先的实验装置作了改进. 与原来的装置

4、相比较，有两方面的改进： 在靠近阴极K处加了一个栅极G1，建立一个无碰撞的加速区，使电子在KG1内只加速不碰撞；使两个栅极Gl与G2处于同电位，建立一个等势区来作为碰撞区，电子在G1G2内只碰撞不加速。与观察值184.9nm十分接近。实验发现：当UKG4.68，4.9，5.29，5.78，6.73V时，IA下降。其中4.9V就是第一激发电势，其它的几个激发电势中，只观察与6.73V相应的光谱线，波长为: 其余状态，均未观测到相应的光谱线，说明这些状态比较稳定，从那里很难发生自发跃迁而发出辐射，所以光谱中不出现相应的谱线。这些态称为亚稳态，对激光的产生很重要。 实验装置：K是发射电子的热阴极、G

5、是圆形金属网、A是圆形阳极，G和A同电位，GK维持一定的电压，圆柱网下底的中央开一孔，盖一层金属网G1，G1外另有一热阴极K1。实验分成两个步骤：1. KG维持固定电压，逐渐增加K的电流电离电势的测定电离电势赫兹实验示意图 阴极阴极起初KG间的电流上升，后来停止增加。这是由于：当K的电子发射量较大时，它周围有大量的电子拥挤着，不能很快地向A极疏散，从而限制了K上电子的发射，使发射量不再增加。2、由小加大K1G1间的电压阴极K1所发的电子就被加速而进入GG1容器内，一旦K1G1间的电压达到某数值之后，KG电流计突然增加。下图是氖的电离电势的实验图（电离电势为21V）电流电离电势赫兹实验示意图 阴极阴极当K1G1间的电压到达氖气的电离电